“Viskoz Sönümleyiciler” İle Yüksek Performanslı Yapılar

1960’lı yıllarda NASA için geliştirilen yapısal çözüm, günümüz inşaat mühendisliğinin seçkin bir örneği.

Viskoz Sönümleyicilerle Depreme Dayanıklılık

İlk olarak 1960’larda NASA için geliştirilen Sıvı Viskoz Sönümleyiciler, inşaat mühendisliği uygulamalarına son 30 yılda başarıyla geçiş yapmıştır. Damperler; binalar, köprüler ve diğer yapıların deprem, kuvvetli rüzgar ve yaya enerjisine karşı korunmasında (sönüm eklemek suretiyle) çeşitli uygulamalar için kullanılabilir.

Viskoz Sönümleyiciler; deprem sonrası kesintisiz kullanım sağlar ve işletme sürdürülebilirliğini artırır.
Zemin ivmelerini azaltarak, şok ve titreşimleri sönümleyerek yapısal olmayan elemanları depremden korur.
Mevcut yapısal kapasitenin altına düşecek kuvvet ve deformasyon taleplerini azaltmak ve maliyetli iyileştirme ihtiyacını azaltmak için kullanılır.
Belirli bir deprem/rüzgar şiddeti eşiğine bakılmaksızın, en küçük etkiler altında bile çalışır.
Güçlü ve uzun süreli depremlere karşı hassas olan “Yüksek Binaların” korunması için ideal çözüm sunar.
Diğer tüm sönümleyicilerden farklı olarak, deprem sonrasında yapı eski konumuna döndüğünden yapıdaki kalıcı yer değiştirme sıfırdır.

Yüksek Bina Uygulamaları

Dinamik etkilerden yapı tepkisini korumak için enerji sönümleyen araçların kullanılması, yüksek binalar için kabul edilen bir tasarım yaklaşımı haline gelmiştir. Viskoz, ayarlı kütle (TMD) ve visko-elastik damperlerin çeşitli uygulamaları ile kanıtlandığı üzere tasarımcılar tarafından sürekli olarak yeni yaklaşımlar geliştirilmektedir. Bu sönümleme çözümleri yeni binalara eklenebilir veya mevcut binalarda sismik güçlendirme olarak kullanılabilir. Bu tür damper sistemlerinin her birinin kendine has özelliği vardır ve en uygun çözüm, söz konusu proje için özel olarak değerlendirilmelidir.

Damperli Mega Çapraz Sistemi

Yüksek kulelerin dinamik kontrolü için yeni bir strateji, damperli mega-çapraz sistemidir. Sistem, birden fazla kata yayılan mega-çapraz uzunluğunca sönümleme sağlar. Damperli mega-çapraz, ana yatay direnç sistemini oluşturan uzun bir destek elemanının ucuna bir akışkan viskoz damper veya bir grup sönümleyici yerleştirerek çalışır. Viskoz damperler statik yüklere karşı direnç sağlamadığından, ayrıca paralel bir destek sistemi kullanılır.

Faydalar:

Yapıda daha az sayıda damper
Daha az çelik, maliyet azalımı ve performans artışı
Yumuşak zemin ve sıvılaşma sorunu olan yerlerde ağırlığın azaltılması avantajdır.
Damper, bir binaya mimari bir özellik olarak entegre edilebilir.

Damperli Dış-Destek Sistemi

Damperli bir dış-destek sistemi tehlikeli rüzgar kaynaklı dinamik hareketleri azaltmada oldukça etkilidir. Bu sistem, yapının toplam genel hareketi konseptine dayanmaktadır ve çevre kolonlarına düşey çekme/basınç kuvvetleri uygulamaktadır. Dış destek sönümlemesi, belirli bir kat seviyesinde veya seviyelerde binanın çekirdeğinden rijit bir konsol inşa ederek ve konsolun ucu ile dış kolonlar arasında akışkan viskoz damperleri bağlayarak gerçekleştirilebilir. Çözüm, destek ayaklarının bulunduğu konumda merkezi çekirdeğin hareketlerini artıran, binanın karşılıklı dış kolonları üzerindeki çekme ve basınçtan yararlanmaktadır.

Faydalar:

Sıcaklıktan etkilenen viskoelastik malzemelere ihtiyaç kalmaması
Vana gibi arızaya meyilli bileşenlerin bulunmaması
Yeniden merkezleme, onarım veya değişime ihtiyaç olmaması.
Tüm frekanstaki titreşimlerde enerji sönümü sağlanması.
Bileşenler küçüktür ve yapı boyunca çeşitli yerlere gizlenebilir.
Yapıda potansiyel olarak tehlikeli büyük kütle oluşumunu önler.
Servis ve dayanım seviyesi taleplerini azaltmak için kullanılabilir.

Kütle Ayarlı Damperler

Tehlikeli rüzgarların neden olduğu dinamik tepkiyi azaltmak için yüksek katlı kulelere ayarlı kütle damperleri (TMD’ler) eklenir. Bir TMD, belirli bir frekansa ayarlanmış bir kütle, yaylar ve damperlerden oluşan bir sistemdir. Salınımın genliği ve frekansı, yapının yüksekliğine, narinliğine ve sertliğine bağlıdır. Yüksek binalarda, bu tür bir salınım, insanları düşük frekanslarda rahatsız edebilir. Rüzgar yükü sıklığı bir kulenin dinamik amplifikasyonuna neden olduğunda, TMD bina ile faz dışı rezonansa girecek, enerji damperler tarafından dağıtılacak ve kulenin dinamik tepkisi düzelecektir.

TMD’ler dünya çapında çeşitli yapılara başarıyla eklenmiştir. Köprüler, gökdelenler, merdivenler, bacalar ve antenler gibi yapıların tümü rüzgar, depremler, yakındaki makineler veya trafikten kaynaklanan yüksek titreşim seviyelerine karşı uyarılabilir. Tüm bu yapılar, yapıdaki titreşimin neden olduğu rahatsızlığı, hasarı veya doğrudan yapısal arızayı ortadan kaldırmak için TMD sistemlerini gerektirir. Fuji Mühendislik, büyük ölçekli TMD sistemleri için viskoz sönümleme cihazlarının yanı sıra yaya köprüleri, yürüyüş yolları, konser salonları ve diğer yapılar için tam özel TMD sistemleri üretir.

Faydalar:

Çalışmaları için harici güç kaynağına bağlı değildirler.
Küçük seviyelerde uyarılmaya tepki verebilirler.
Özellikleri sahada ayarlanabilir.
Ayrıca yapısal iyileştirmelerde veya güçlendirmelerde de kullanılabilirler.
Az bakım gerektirirler.

Doğrudan Etkili Sönümleme

Günümüzde, yapı mühendislerinin binalarını geçmişte olduğu gibi sismik bir olay sırasında tamamen elastik kalacak şekilde tasarlamadıkları yaygın bir uygulamadır. Bunun yerine, yapıların bu özel nedenle dikkatlice belirlenen belirli yerlerde plastik mafsal oluşmasına (hasar almasına) izin verilir. Bu plastik mafsallarda histeretik sönümleme yoluyla enerji dağıtımı sağlanır. Bu sünek tasarım kavramı, belirli bir güvenlik seviyesinin sürdürülmesi koşuluyla, genel olarak daha ekonomik tasarımlara yol açar. Amaç ister rüzgar ister sismik enerjiyi azaltmak olsun, uzun vadede daha güvenli ve daha uygun maliyetli yapılar için enerji dağıtımı maksatlı çeşitli çözümler bulunmaktadır.
Bir yapıda dağıtılmış sönümlemeyi uygulamak için birçok yöntem mevcut olsa da, temel kavram, kiriş ve kolon bağlantıları arasında veya kesme tipi bir harekette birbirine göre deforme olan kat seviyeleri gibi hareketin oluşacağı yerlere damperleri bağlamaktır. Bazı yaygın konfigürasyonlar aşağıdaki gibidir.

Açık Ortam
Özellikle yüksek binalar için kullanılmasa da, daha fazla açık bölme sunmak için tasarlanmış bir açık alan konfigürasyonu sunar.

Dirsek
Dirsek çerçeveler, sert veya küçük hareketlerde damperlerdeki deplasmanları artırmak için bir mekanizma olarak kullanılabilir ve daha verimli bir sönümleme sistemi oluşturur. Dirsek çerçeveler, bir düzlemdeki hareketleri yakalamak ve hareketleri başka bir düzleme çevirmek ve bu nedenle çok verimli sönümleme sağlamak için bir destek-çapraz (bent-brace) mekanizması teorisini kullanır.

V-Şekli (Şevron)
Bu konfigürasyonda, damperler yatay olarak yerleştirilir ve bulunduğu döşemeye neredeyse rijit olması amaçlanan bir (şevron) çerçeveye bağlanır. Bu doğrudan sönümlemenin avantajı, yapının yatay esnekliğinin, bu tam hareketi doğrudan damperin yatay yönüne etkitmesidir. Bununla birlikte, şevron çerçeveler daha ekonomik olsa da, erişilebilir rijitlik kısıtı nedeniyle, kat ötelemesinde bir miktar azalım olabilir.

Diyagonal
Bir yapıya dağıtılmış sönümleme uygulamanın çok yaygın bir yöntemi, sönümleyicileri bir yapısal çerçeve veya bölmenin diyagonal köşelerine veya merkezine bağlamaktır. Bu yerleşimde, yapının yatay hareketi, tam sapmanın açısal bir bileşeninin damperin içine girmesine izin verir. Bu, güçlü bir çekme/basınç elemanı aracılığıyla hareketi doğrudan bir sonraki kat seviyesine aktarır.

Köprü Damper Uygulamaları

Sismik, rüzgar veya trafik girdilerine maruz kalan köprüler söz konusu olduğunda, mühendisler yatay hareketi ve geri bildirimi nasıl azaltacaklarına veya ortadan kaldıracaklarına karar vermelidir. Potansiyel bir çözüm, köprüyü ilave mesnet veya desteklerle frekansı veya periyodu değiştirmektir. Bununla birlikte, bu tercihte bulunurken, köprünün ağırlığında bir artışa ve önemli maliyetlere yol açan kayda değer miktarda yapısal modifikasyonlar gerekebilir. Ek olarak, bu durum aynı zamanda köprünün özel mimarisini de etkileyebilir.

Diğer bir çözüm, rezonans deplasmanlarını düşük bir seviyeye indirmek için köprüye doğrudan etkili bir damper sistemi katmaktır. Bu sistem, sönümleme seviyelerini normalde %0,5 – %1’den %20 kritik sönümleme aralığına yükseltebilir. Akışkan viskoz damperlerimiz, ani titreşime maruz kalan bir yapı içinde hem gerilimi hem de deplasmanı aynı anda azaltma konusunda özel bir yeteneğe sahiptir. Bunun nedeni, akışkan viskoz bir sönümleyicinin kuvvetini yalnızca hızla değiştirmesidir, bu durum ise yapının esnemesinden kaynaklanan gerilmelerle doğal olarak faz-dışı olan bir tepki sağlar.

Köprülerde Doğrudan Etkili Sönüm

Binalarda bulunan sistemlere benzer şekilde, doğrudan etkili sönümleme, rüzgar, sismik ve yaya enerjisini absorbe etmek için köprü uygulamalarında kullanılabilir. Akışkan viskoz damperler, sisteme sönümleme sağlamak ve sonuç olarak kuvvet ve yer değiştirme taleplerini azaltmak için kurulur. Bir sismik olaydan sonra yapısal hasarın yanı sıra trafik kaybı gibi önemli ekonomik kayıpların azalması veya ortadan kaldırılması sağlanabilir

Köprüler İçin Kilit Araçları(LUD)

LUD kilit cihazları viskoz sönümleyicilerin aksine, enerjiyi sönümlememektedir. Bunun yerine, LUD araçları, sismik, rüzgar şokları, sıcaklık genişlemesi ve frenleme etkileri altında birden fazla kütleyi kelimenin tam anlamıyla “kilitlemek” için dinamik bir destek görevi görür. Kilitleme cihazları ile donatıldığında, çoklu bir kütle yapısı, ani bir olay meydana geldiğinde esasen tek, monolitik bir kütle gibi davranır.

Köprüler ve Uzun Açıklıklar İçin Ayarlı Kütle Damperleri

Yüksek binalarda kullanılan sistemlere benzer şekilde, köprüler için ayarlı kütle damperleri (TMD’ler), ters bir zorlama işlevi yaratan köprü ile faz dışı rezonansa girecek ve böylece enerji damperler tarafından dağıtılabilecek ve bu şekilde köprünün dinamik tepkisi geliştirilecektir. Tek fark, bu TMD’lerin tipik olarak yaya ile senkronize etkiler gibi çok daha küçük etkilere karşın küçük ölçekte inşa edilmiş olmalarıdır.

Modern yaya köprüleri bazen uzun ve incedir, genellikle nispeten düşük frekanslı birincil titreşim modlarına sahip yapısal bir tasarıma yol açar. Benzer şekilde bazı kongre merkezleri, oteller, konser salonları ve/veya tiyatrolar çok uzun açıklıklar ile inşa edilmektedir. Bu nedenle köprü veya döşemeler, atlama, dans etme gibi senkronize aktivitelerle ve hatta yürümek kadar basit bir hareketten kolayca etkilenebilir. Mekanik enerjiyi ısı enerjisine dönüştüren viskoz damperlerin aksine, ayarlı bir kütle damper sistemi, uyarılmış dinamik yapısal deplasmana karşı koymak için bir zorlama işlevi oluşturacak ve böylece hareketi bastıracaktır.

Genel olarak, TMD’ler, doğrudan sönümlemenin uygulanamadığı yapısal hareketi kontrol etme uygulamalarında etkili kabul edilir. TMD’ler, rüzgarın, insan kalabalığının veya %10’dan daha az sönümlemenin kullanılabildiği düşük seviyeli titreşimlerin neden olduğu hareketleri kontrol etmek için ayarlandıkları tek frekansta etkili olabilir. Titreşime neden olan etkinin birkaç modu uyardığı durumlarda birden çok TMD kullanılabilir.

Fuji Mühendislik, yaya köprüleri, yürüyüş yolları, konser salonları ve diğer yapılar için büyük ölçekli ve tam özel yapım TMD sistemleri üretmektedir.

Alçak/Orta Katlı Bina Damperi Çözümleri

Deprem riskine maruz bir bölgede yaşarken, yapısal bütünlüğü korumak için kapsamlı önlemler alınmalıdır. Mevcut yapı kuralları yalnızca bir binanın büyük bir deprem sırasında yıkılmamasını gerektirmektedir, ancak mevcut tasarım şartnamelerine göre ağır, hatta onarılamaz yapısal hasar bile kabul edilebilir. Deprem enerjisini sönümleyen çeşitli damper çözümlerimiz sayesinde, binanın hasar gömesi engellenmektedir. Damperlerimiz bakım gerektirmez olup, gerilmeyi, sapmayı ve hızlanmayı azaltarak yapıyı ve içeriği koruyacak şekilde tasarlanmaktadır.

Viskoz Damper Taban Yalıtımına Nasıl Katkı Sağlar

İzolatörlerin enerji sönümünü artırmak için damperin kullanıldığı bir taban yalıtım sistemine viskoz damperler de dahil edilebilir. Viskoz damperlerin eklenmesiyle sağlanan dinamik yer değiştirmedeki azalma, izolatörlerin, pedestalların, binaya giren altyapı hizmetlerinin ve yer değiştirme arttıkça bedeli artan diğer öğelerin maliyetini azaltarak taban yalıtım sisteminin gereken deplasmanını azaltabilir. Sistem bileşenlerindeki bu azalma, daha az maliyet sağlar ve tasarımı ve inşaatı daha pratik kılar. Performans için optimize edildiğinde, damper ve taban yalıtım kombinasyonu, izolatörlerin dampersiz durumundan daha maliyetli olmaz. Damperleri taban yalıtım sistemiyle kullanmanın bir başka yararı, kullanım alanının sınırlı olduğu durumlar içindir. Taban yalıtım sistemi deplasmanının azaltılması durumunda, binanın çevre sınır hattına daha yaklaşarak daha fazla kullanışlı bir alan elde edilebilir.

Taban Yalıtımı İçin Viskoz Damperler

Taban yalıtım sistemleri, yapıyı zeminden fiziksel olarak ayırarak yapısal etkileşimi azaltır. Bu tür bir çözüm, yapının temel sisteminden ayrılmasını ve ikisi arasına yerleştirilen yalıtım elemanları kullanılmasını gerektirir. Böylelikle sismik olaylar sırasında bina, zeminin hareketinden izole edilecek ve 6 derecelik (3 yönde deplasman ve dönme) serbestlik elde edebilecektir.